在新能源汽車研發(fā)及測(cè)試過程中，有些性能參數(shù)的測(cè)試如紋波電流/電壓等過去并未被生產(chǎn)廠家重視，但在汽車出口時(shí)卻至關(guān)重要。事實(shí)上，紋波電流如果發(fā)生異常，不僅影響動(dòng)力電池及其管理系統(tǒng)的運(yùn)行品質(zhì)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)绊懻嚨陌踩阅堋榇?，分析了新能源汽車紋波電流的來源及其對(duì)整車性能的影響；探討了利用紋波電流進(jìn)行動(dòng)力電池自加熱技術(shù)，即利用紋波電流對(duì)電池正負(fù)極施加交流激勵(lì)，使電池內(nèi)部阻抗產(chǎn)生熱量，實(shí)現(xiàn)電池的交流自加熱，從而提升動(dòng)力電池輸出性能、增加新能源汽車?yán)m(xù)航里程。

我國汽車行業(yè)正面臨快速進(jìn)入全球競(jìng)爭(zhēng)的挑戰(zhàn),過去并不重視的一些性能參數(shù)測(cè)試在出口時(shí)卻至關(guān)重要,如紋波電流測(cè)試?國內(nèi)鮮有對(duì)新能源汽車的紋波產(chǎn)生機(jī)理及如何降低紋波危害等方面的研究,而國外許多國家在汽車驗(yàn)收時(shí)將紋波限值作為判定整車合格與否的8個(gè)考核指標(biāo)之一?紋波過大不僅會(huì)造成嚴(yán)重的電磁干擾,還會(huì)對(duì)動(dòng)力電池性能產(chǎn)生巨大影響,因此,全面認(rèn)識(shí)并解決紋波的影響成為眾多新能源整車廠家和動(dòng)力電池廠家亟待解決的課題 ^[2]^ ?

01

紋波來源

大量理論分析和實(shí)際應(yīng)用表明 ^[3]^ ,紋波的來源主要包括以下3個(gè)方面:①車輛電機(jī)控制器產(chǎn)生;②車輛電機(jī)產(chǎn)生;③充電樁充電時(shí)引入?

經(jīng)過大量不同變量對(duì)紋波幅值和頻率影響的測(cè)試發(fā)現(xiàn),新能源汽車的動(dòng)力輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速是影響紋波波形的重要因素,即轉(zhuǎn)矩影響紋波的幅值分布,轉(zhuǎn)速影響紋波的頻率分布?在轉(zhuǎn)速不變的情況下,增大轉(zhuǎn)矩,紋波的頻率范圍不變,幅值增大;在轉(zhuǎn)矩不變的情況下,增大轉(zhuǎn)速,紋波的頻率隨之增大,兩者呈線性相關(guān)?

02

紋波影響

對(duì)動(dòng)力電池的影響

對(duì)于新能源汽車的動(dòng)力電池而言,紋波可能會(huì)造成電池析鋰?陽極顆粒開裂?熱分布不一致等現(xiàn)象,這對(duì)電芯模塊會(huì)造成不可逆的損傷?電池包模塊由電芯模塊串聯(lián)?并聯(lián)組成,紋波對(duì)電芯的影響會(huì)傳導(dǎo)至電池包模塊,繼而產(chǎn)生不可控的諧振大電流,而諧振大電流會(huì)誘發(fā)熱失衡,這對(duì)電池的熱管理提出了挑戰(zhàn) ^[4]^ ?

對(duì)電池管理系統(tǒng)(BMS)的影響

新能源汽車BMS會(huì)受到紋波的影響[2]?BMS控制動(dòng)力電池多方面的功能,如電池組管理?充放電控制?功率限制?熱管理?電池安全保護(hù)和預(yù)警等?紋波一旦對(duì)BMS產(chǎn)生干擾,或影響傳感器(如溫度傳感器)的正常工作,這對(duì)新能源汽車整車的正常?穩(wěn)定運(yùn)行提出了巨大挑戰(zhàn),而新能源汽車的高壓系統(tǒng)組件是高頻紋波傳播的最主要途徑?

對(duì)整車運(yùn)行的影響

新能源汽車動(dòng)力電池包由繼電器?保險(xiǎn)絲?復(fù)合母排?模組等組成,各組件自身及相互連接均會(huì)產(chǎn)生寄生電感,最終導(dǎo)致電池包阻抗隨紋波頻率的提高而增大?在車輛行駛過程中,在一定頻段內(nèi)發(fā)生諧振,對(duì)應(yīng)紋波電流大幅增大,導(dǎo)致電池嚴(yán)重發(fā)熱,且呈現(xiàn)不均衡發(fā)熱,這對(duì)電池的熱管理提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?在車輛行駛過程中,電池溫度過高,BMS會(huì)切斷電池對(duì)車輛的供電,導(dǎo)致車輛在路上失去動(dòng)力?

紋波具有隨機(jī)性,疊加到電池包中的紋波呈現(xiàn)頻率寬?幅值大的特點(diǎn)?在研究紋波對(duì)動(dòng)力電池的影響時(shí),向電池中注入掃頻紋波,查看測(cè)試數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn),個(gè)別單體電芯會(huì)超過限制電壓,觸發(fā)BMS的單壓過壓保護(hù)和單體壓差保護(hù),進(jìn)而影響車輛正常運(yùn)行?電池包會(huì)在特定頻率點(diǎn)檢測(cè)到異常?非真實(shí)值的電流信號(hào),進(jìn)而觸發(fā)電池包的斷開保護(hù),使電池包繼電器脫開,停止工作?

測(cè)試過程表明,不同電池包會(huì)在不同的頻率點(diǎn)出現(xiàn)此現(xiàn)象,在檢測(cè)過程中一般此類保護(hù)可以通過手動(dòng)清除故障來恢復(fù),但如果在車輛的實(shí)際行駛過程中,電池與繼電器斷開會(huì)導(dǎo)致車輛無法啟動(dòng),在運(yùn)行中失去動(dòng)力,甚至導(dǎo)致行車故障?

03

紋波用于電池內(nèi)部加熱

為了消除和避免新能源汽車的紋波危害,一些新能源汽車制造廠家和動(dòng)力電池廠家已經(jīng)開始進(jìn)行改善性或利用性研究?如目前已有廠家開始研究利用紋波來給動(dòng)力電池加熱,實(shí)現(xiàn)電池的交流自加熱,從而提升動(dòng)力電池輸出性能?

動(dòng)力電池加熱方式

新能源汽車發(fā)展的一大瓶頸是續(xù)航里程問題,尤其是在北方寒冷的冬季,續(xù)航里程“跳水”讓消費(fèi)者無法接受?在低溫環(huán)境下對(duì)5輛不同新能源汽車進(jìn)行續(xù)航測(cè)試,結(jié)果表明續(xù)航里程平均下降率為37%,這與消費(fèi)者對(duì)于續(xù)航里程衰減的容忍度(約為10%)差距較大?此外,在低溫寒冷的條件下車輛冷啟動(dòng)時(shí)動(dòng)力不足?剩余里程突然下降?充電變慢等問題也成為新能源汽車發(fā)展的技術(shù)瓶頸 ^[5]^ ?

根據(jù)加熱方式,現(xiàn)有的主流動(dòng)力電池?zé)峁芾砑訜岱椒煞譃橥獠考訜岱ê蛢?nèi)部加熱法?

外部加熱法包括循環(huán)空氣加熱法?液體循環(huán)加熱法?正溫度系數(shù)電阻(PTC)加熱膜法和熱泵加熱法;內(nèi)部加熱法包括內(nèi)部鎳片自加熱法?直流自加熱法?直流脈沖自加熱法和交流紋波自加熱法?外部加熱法中循環(huán)空氣加熱法?液體循環(huán)加熱法的工業(yè)成本高,涉及到整車各系統(tǒng)的熱源?管路零部件數(shù)量較多,系統(tǒng)復(fù)雜度高,并且環(huán)境適應(yīng)性差[6];而PTC加熱膜法的加熱方式為單側(cè)加熱,溫升熱均衡效果不佳且能耗比較高,在極端溫度下需要消耗40%的電池能量?

采用外部加熱法時(shí)需要先加熱箱體結(jié)構(gòu)件?電池殼體,再將熱量傳導(dǎo)至集流體活性材料,因此存在大量熱損失,熱接觸和熱負(fù)荷一致性較差,導(dǎo)致加熱工況中存在加熱速度慢?能量利用率低?溫度不均勻等先天固有缺陷;而內(nèi)部加熱法自內(nèi)向外的加熱路徑可以極大克服以上缺陷?

紋波加熱原理

交流紋波是指電動(dòng)汽車整車處于能量回收?車輛運(yùn)行或電池充電等狀態(tài)時(shí)會(huì)在直流高壓母線上產(chǎn)生的交流諧波?紋波加熱是對(duì)電池正負(fù)極施加一定頻率和幅值的交流激勵(lì),電流經(jīng)電池內(nèi)部的歐姆阻抗后產(chǎn)生焦耳熱等,電芯內(nèi)部被加熱后,熱量經(jīng)過熱傳導(dǎo)和熱交換傳遞至電池殼體表面,實(shí)現(xiàn)交流自加熱,加熱原理圖如圖1所示?紋波加熱技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵在于針對(duì)不同電池,找到其不同低溫場(chǎng)景下長循環(huán)壽命的電流和頻率完全安全的策略邊界?

04

結(jié)語

本文分析了新能源汽車紋波電流的來源及其對(duì)整車性能的影響,探討了利用紋波電流進(jìn)行動(dòng)力電池內(nèi)部自加熱的技術(shù)?

目前,新能源汽車的整車紋波加熱有6種潛在的應(yīng)用場(chǎng)景,因此可以從實(shí)際需求出發(fā),設(shè)計(jì)滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的紋波波形,評(píng)估不同場(chǎng)景下不同波形對(duì)電池循環(huán)壽命的影響,找到紋波電流加熱效果與電池老化壽命的平衡點(diǎn),加快紋波電流加熱技術(shù)在實(shí)際整車中的應(yīng)用?

審核編輯：劉清